ITBO20070409A1 - Dispositivo rivelatore per microscopio elettronico. - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

annessa a domanda di brevetto per INVENZIONE INDUSTRIALE dal titolo:

DISPOSITIVO RIVELATORE PER MICROSCOPIO

ELETTRONICO.

La presente invenzione è relativa ad un dispositivo rivelatore per microscopio elettronico a scansione.

I microscopi elettronici di tipo noto presentano, schematicamente, una colonna elettro-ottica in alto vuoto che comprende, generalmente, oltre ad una sorgente di elettroni (cannone elettronico), un insieme di lenti elettromagnetiche, raggruppabili in base alla loro funzione per focalizzare il fascio stesso.

In generale, nel caso dei microscopi a trasmissione (TEM), il fascio elettronico viene fatto passare attraverso un campione sottile in modo da poter poi ricavare i segnali per formare l’immagine del campione stesso. Nel Microscopio Elettronico a Scansione (SEM) il fascio elettronico, di energie comprese fra qualche centinaio di eV e qualche decina di keV, viene focalizzato da un sistema di lenti e deflesso per scandire una area del campione.

L'interazione tra gli elettroni del fascio ed il campione in ogni punto di scansione genera diversi segnali, in particolare, ad esempio, elettroni secondari o retrodiffusi, i quali vengono acquisiti da opportuni rivelatori. Il segnale ottenuto da questi rivelatori viene digitalizzato ed utilizzato per ricostruire un’immagine del campione punto per punto in maniera sincrona con la scansione del fascio elettronico sul campione.

I campioni per tali microscopi sono usualmente massivi ed il fascio elettronico non attraversa il campione. Tuttavia, qualora il campione sia sufficientemente sottile, anche nel microscopio a scansione si possono formare immagini con gli elettroni trasmessi.

Selezionando opportunamente il range angolare di collezione degli elettroni trasmessi attraverso il campione è possibile definire due modi operativi per l’acquisizione delle immagini:

1. “brighi field” o “campo chiaro” definito per angoli di collezione misurati a partire dall’asse ottico, e cioè da 0° fino ad un valore α-ι° 2. “dark field” o “campo scuro” per angoli di collezione da cc-i<0>ad (3⁄42<0>. Tali denominazioni sono mutuate dalla microscopia a trasmissione dove le energie utilizzate sono significativamente più alte e gli angoli di deflessione del fascio trasmesso molto minori di quanto avvenga nei microscopi a scansione.

In particolari modalità operative al TEM in condizioni di “brighi field" gli elementi più leggeri, che lasciano passare un maggior numero di elettroni risultano più chiari e gli elementi più pesanti risultano scuri mentre in condizioni di “dark field”, gli elementi più leggeri appaiono più scuri mentre risultano più chiari gli elementi più pesanti che mediamente deflettono ad angoli più elevati gli elettroni trasmessi.

Questa definizione non e’ tuttavia estendibile alle osservazioni al SEM utilizzando elettroni trasmessi.

Infatti, sperimentalmente si osserva, variando lo spessore del campione, un’inversione di contrasto. Questo significa che, ad esempio, operando apparentemente in condizioni di campo scuro si osserva che gli elementi più leggeri appaiono chiari e quelli più pesanti appaiono scuri, quando invece ci si aspetterebbe di osservare gli elementi più leggeri scuri e quelli più pesanti chiari.

Tale incertezza comporta numerosi problemi per l’interpretazione delle immagini generate in trasmissione al SEM, dove il contrasto delle immagini non e’ più direttamente correiabile con le condizioni di collezione del segnale trasmesso. Questo può indurre ad ambiguità ed errori nell’analisi della composizione del campione.

Con i rivelatori disponibili attualmente questo tipo di problema non può essere facilmente identificato.

Un problema di questi rivelatori è, infatti, che non sono sufficientemente versatili ovvero non consentono di acquisire immagini del campione con una sufficiente varietà di condizioni di collezione tali da consentire una corretta interpretazione analitica delle immagini ottenute dal microscopio. In questo contesto, il compito tecnico precipuo della presente invenzione è proporre un dispositivo rivelatore per microscopio elettronico esente dai suddetti inconvenienti.

Uno scopo della presente invenzione è proporre un dispositivo rivelatore che sia maggiormente versatile rispetto ai dispositivi rivelatori disponibili per indagare un maggior numero di possibili condizioni di analisi del campione. Il compito tecnico precisato e gli scopi specificati sono sostanzialmente raggiunti da un dispositivo rivelatore per microscopio elettronico secondo la rivendicazione 1 ed una o più delle rivendicazioni dipendenti. Forma oggetto della presente invenzione anche un elemento rivelatore facente parte del dispositivo rivelatore.

Ulteriori caratteristiche e vantaggi della presente invenzione appariranno maggiormente chiari dalla descrizione indicativa, e pertanto non limitativa, di una forma di attuazione preferita ma non esclusiva di un dispositivo rivelatore per microscopio elettronico, come illustrato negli uniti disegni, in cui:

la figura 1 illustra una prima forma realizzativa di un dispositivo rivelatore secondo la presente invenzione, in una vista schematica parzialmente a blocchi;

la figura 2 illustra il dispositivo rivelatore di figura 1 , in una condizione operativa in un microscopio elettronico, in una vista prospettica schematica e con alcune parti asportate per maggiore chiarezza;

la figura 3 illustra un elemento rivelatore facente parte del dispositivo rivelatore di figura 1 in una vista in pianta dall’alto schematica;

la figura 4 illustra una seconda forma realizzativa di un dispositivo rivelatore secondo la presente invenzione, in una vista in pianta dall’alto schematica con alcune parti asportate per maggiore chiarezza.

Conformemente ai disegni allegati, particolare riferimento alla figura 1 , con 1 è indicato un dispositivo rivelatore secondo la presente invenzione.

Il dispositivo 1 è destinato ad un microscopio 2 elettronico a scansione, non illustrato nel dettaglio in quanto sostanzialmente noto.

In generale, un microscopio 2 a scansione comprende una sorgente di elettroni (cannone elettronico), un insieme di lenti elettromagnetiche, raggruppabili in base alla loro funzione per focalizzare il fascio stesso, dei mezzi di deflessione del fascio per scandire un campione 3 e dei mezzi di acquisizione di segnali generati dall’iterazione fra il fascio ed il campione 3.

In particolare, il dispositivo 1 è destinato ad un microscopio 2 a scansione per collezionare il fascio elettronico una volta che lo stesso abbia attraversato il campione 3.

II dispositivo 1 rivelatore secondo la presente invenzione comprende un elemento 4 rivelatore che intercetta il fascio trasmesso attraverso il campione 3.

Entrando maggiormente nel dettaglio, con particolare riferimento alle figure da 1 a 3, l’elemento 4 rivelatore è suddiviso in una pluralità dì porzioni 10, 20, 30, 40, 50, ciascuna idonea a generare una grandezza elettrica in seguito all’interazione con il fascio F che ha attraversato il campione 3. In altre parole, ciascuna porzione 10, 20, 30, 40, 50 è in grado di interagire con il fascio F elettronico generando un corrispondente segnale.

È opportuno osservare che le porzioni 10, 20, 30 e 40 sono definite come corone circolari concentriche con la porzione 50 centrale preferibilmente circolare.

Vantaggiosamente, l’elemento 4 rivelatore si presenta nel complesso sostanzialmente discoidale e risulta definito dalle citate porzioni 10, 20, 30, 40 θ 50.

Con particolare riferimento alla figura 3 si osserva che, preferibilmente, ciascuna corona circolare 10, 20, 30 e 40 è suddivisa in settori 10a, 10b, 10c, 10d, 20a, 20b, 20c, 20d, 30a, 30b, 30c, 30d, 40a, 40b, 40c, 40d che generano un corrispondente segnale S1 , S2. S16 ovvero l’elemento 4 rivelatore, a meno della porzione 50 circolare, cui è dovuto un segnale S17, è suddiviso in relativi spicchi a, b, c, d.

Vantaggiosamente, l’elemento 4 rivelatore comprende un qualsiasi numero di corone e di settori in funzione delie informazioni che si desiderano ottenere relativamente al campione 3 in esame.

Ciascun settore 10a, 10b, 10c, 10d, 20a, 20b, 20c, 20d, 30a, 30b, 30c, 30d, 40a, 40b, 40c, 40d, 50 è definito da una giunzione elettronica, preferibilmente di tipo p-n, isolata in grado di generare un segnale legato al corrispondente settore e funzione della porzione di fascio elettronico trasmesso attraverso il campione 3 che interessa il settore stesso.

In altre parole, ciascun settore 10a, 10b, 10c, 10d, 20a, 20b, 20c, 20d, 30a, 30b, 30c, 30d, 40a, 40b, 40c, 40d, 50 o ciascuna corona 10, 20, 30 e 40 e la porzione 50 centrale fornisce un unico corrispondente segnale.

I distinti settori sono fra loro combinabili, come sarà di seguito meglio chiarito, per definire, in pratica, una o più preferite zone di collezione del fascio trasmesso.

Secondo quanto illustrato in particolare nella figura 1 , il dispositivo 1 rivelatore secondo la presente invenzione comprende dei mezzi elettronici di pilotaggio, schematizzati con un corrispondente blocco 6, in comunicazione con ciascun settore di ogni corona circolare 10, 20, 30 e 40 e con la porzione 50 centrale dell’elemento 4 rivelatore per gestire separatamente i distinti segnali che arrivano dai diversi settori di ogni corona circolare 10, 20, 30 e 40 e dalla porzione 50 centrale per combinarli opportunamente in funzione delle esigenze di un generico utente, non illustrato, del microscopio 2. I mezzi 6 di pilotaggio consentono, in pratica, di combinare a piacimento i settori o le corone per definire l’area di collezione, come accennato in precedenza.

I mezzi 6 elettronici generano un segnale SO dì output significativo delle informazioni in ingresso e lo rendono disponibile per successive ulteriori elaborazioni.

Una unità 7 computerizzata di controllo e comando è in comunicazione con i mezzi 6 elettronici per ricevere il segnale SO di output ed elaborarlo in maniera non descritta nel dettaglio.

Vantaggiosamente, il segnale SO di output è conforme ed intelligibile dalle unità computerizzate di controllo e comando normalmente presenti nei microscopi elettronici in modo da poter essere gestito dalle stesse ovvero, preferibilmente, l’unità 7 è definita dall'unità di controllo del microscopio 2. Secondo quanto illustrato nella figura 4, l’elemento 4 rivelatore comprende una pluralità di generatori 8 discreti di segnale, ciascuno idoneo a generare un corrispondente segnale.

Vantaggiosamente, ciascun generatore 8 è definito da una giunzione elettronica p-n discreta in grado di generare un corrispondente segnale. In pratica, l’elemento 4 rivelatore è costituito da un array o matrice 9 di giunzioni o celle selezionabili, ad esempio una matrice 9 di diodi.

Preferibilmente, infatti, ciascuna giunzione discreta è in comunicazione, tramite mezzi 8a di trasmissione del segnale con i mezzi 6 di pilotaggio (per semplicità illustrativa è illustrata la connessione di alcuni generatori 8 con i mezzi 6 di pilotaggio, intendendo che tutti i generatori o giunzioni 8 sono in comunicazione con i mezzi 6 di pilotaggio) che selezionano opportunamente i generatori 8 di interesse per definire una o più zone 11 di collezione. Analogamente a quanto descritto in precedenza per i settori 10a, 10b, 10c, 10d, 20a, 20b, 20c, 20d, 30a, 30b, 30c, 30d, 40a, 40b, 40c, 40d, 50, i mezzi 6 di pilotaggio forniscono all’unità 7 di controllo e comando il segnale SO tramite il quale è possibile, con un opportuno software non descritto nel dettaglio, ricostruire, a valle dell’acquisizione dall’intera matrice 9, la zona 11 selezionata per la formazione dell’immagine in modo da poter poi ottenere anche la visualizzazione del campione.

Nell’esempio illustrato nella figura 4 la zona 11 di collezione è definita sostanzialmente come una corona circolare.

Ciascun generatore 8 di segnale o cella è pilotabile, via software, indipendentemente dagli altri; la soluzione esemplificata in figura 4 si configura, in altre parole, come una soluzione ad elementi finiti dove un’opportuna selezione di tali elementi consente la definizione della zona 11 di collezione.

Preferibilmente, è opportuno amplificare le informazioni in uscita dalla matrice 9 che devono essere altresì digitalizzate in maniera sostanzialmente nota e pertanto non descritta.

Con riferimento alla figura 2, si osserva una applicazione operativa del dispositivo secondo la presente invenzione.

L’elemento 4 rivelatore è posizionato al di sotto del campione 3 con il proprio asse coincidente con l’asse AO ottico del microscopio 2, ad una distanza d1 dal campione 3 modificabile dall’operatore ed in modo da essere investito per intero dal fascio F oltrepassante il campione 3.

Il dispositivo 1 consente, ad esempio, partendo dalla porzione 50 centrale ed intervenendo tramite l’unità 7 computerizzata ed i mezzi 6 elettronici di pilotaggio, ovvero a livello elettronico, di selezionare opportunamente l’angolo di collezione od i range angolari ove effettuare la collezione. L’angolo di collezione è altresì funzione della distanza d1 dell’elemento 4 rivelatore dal campione 3.

Nella configurazione operativa illustrata a titolo di esempio, il dispositivo 1 consente di esaminare il fascio F in una angolo di collezione α1 , o α2, o cx3 o fra gli angoli a2 e cc3.

In pratica il dispositivo 1 consente di ottenere differenti immagini sommando due o più corone 10, 20, 30, 40 e la porzione 50 circolare oppure isolandone una e collezionando da altre.

È pertanto possibile ottenere una sequenza di immagini ad esempio allargando l’angolo di collezione interno oppure partendo dal massimo angolo di collezione e man mano escludere le informazioni provenienti dalle porzioni più interne.

In tal modo è possibile ottenere una molteplicità di informazioni relativamente alla geometria del campione 3 limitando considerevolmente eventuali errori di interpretazione delle immagini finali.

Dato l’elemento 4 rivelatore, ciascuna porzione 10, 20, 30, 40 e 50 dello stesso e ciascun settore di ogni porzione definisce una giunzione a se stante, indipendente dalle altre e combinabile con le altre in modo opportuno.

In maniera sostanzialmente analoga, con il dispositivo di figura 4 è possibile definire le zone 11 di collezione secondo necessità e procedere, ad esempio, come descritto in precedenza.

È importante osservare che la suddivisione nei settori a, b, c e d incrementa la versatilità del dispositivo 1.

Considerando in generale che tutto il cono di scattering ovvero il fascio trasmesso dal campione 3 colpisce l’elemento 4 rivelatore, a seconda dell’angolo di incidenza gli elettroni colpiscono una porzione o singolo elemento rivelatore distinto, consentendo pertanto di discriminare gli elettroni in base al loro angolo di uscita dal campione 3.

L’invenzione come descritta consegue importanti vantaggi.

Il dispositivo rivelatore secondo la presente invenzione consente di controllare in modo opportuno gli angoli di collezione rendendo la tecnica di utilizzo del microscopio a scansione in trasmissione sufficientemente analitica riducendo l’eventualità di incorrere in risultanti fuorvienti o erronei. La presenza sostanzialmente di una pluralità di giunzioni sull’elemento rivelatore conferisce al dispositivo nel suo insieme una elevata versatilità che consente l’esplorazione di un considerevole spettro di condizioni di esame.

L’invenzione così concepita è suscettibile di evidente applicazione industriale; può essere altresì oggetto di numerose modifiche e varianti tutte rientranti nell'ambito del concetto inventivo; tutti i dettagli possono essere sostituiti, inoltre, da elementi tecnicamente equivalenti.

Claims (19)

1. RIVENDICAZIONI 1. Dispositivo rivelatore inseribile in un microscopio (2) elettronico a valle di un campione (3) da analizzare mediante un fascio (F) elettronico attraversante detto campione (3), detto dispositivo rivelatore comprendendo un elemento (4) rivelatore per generare un segnale in funzione di detto fascio (F), detto dispositivo rivelatore essendo caratterizzato dal fatto che detto elemento (4) rivelatore è suddiviso in una pluralità di porzioni (10, 20, 30, 40, 50) fra loro isolate ciascuna idonea a generare un corrispondente segnale (S1 ,...,S17) in funzione, in particolare, di detto fascio (F).
2. 2. Dispositivo secondo la rivendicazione 1 , caratterizzato dal fatto che ciascuna porzione (10, 20, 30, 40, 50) è definita da una giunzione elettronica isolata.
3. 3. Dispositivo secondo la rivendicazione 1 o 2, caratterizzato dal fatto che dette porzioni (10, 20, 30, 40, 50) comprendono una porzione (50) centrale sostanzialmente circolare ed una pluralità di porzioni (10, 20, 30, 40) definite come corone circolari concentriche con detta porzione (50) centrale.
4. 4. Dispositivo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 3, caratterizzato dal fatto che dette porzioni (10, 20, 30, 40, 50) comprendono una pluralità di porzioni (10, 20, 30, 40) definite come corone circolari concentriche, dette corone (10, 20, 30, 40) essendo suddivise in settori, detti settori generando ciascuno un corrispondente segnale (S1,...,S17).
5. 5. Dispositivo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 4, caratterizzato dai fatto di comprendere dei mezzi (6) elettronici di pilotaggio in comunicazione con dette porzioni (10, 20, 30, 40, 50), per gestire separatamente i distinti segnali (S1,...,S17) provenienti da ciascuna porzione.
6. 6. Dispositivo secondo la rivendicazione 4, caratterizzato dal fatto di comprendere dei mezzi (6) elettronici di pilotaggio in comunicazione con ciascun settore dì ogni corona circolare (10, 20, 30, 40) e con una porzione (50) centrale di detto elemento (4) collettore per gestire separatamente i distinti segnali che arrivano dai distinti settori di ogni corona circolare e da detta porzione (50).
7. 7. Dispositivo secondo la rivendicazione 5 o 6, caratterizzato dai fatto di comprendere una unità (7) computerizzata di controllo e comando in comunicazione con detti mezzi (6) elettronici di pilotaggio per elaborare un segnale di uscita (SO) dovuto a detti mezzi (6) elettronici di pilotaggio.
8. 8. Dispositivo rivelatore inseribile in un microscopio (2) elettronico a valle di un campione (3) da analizzare mediante un fascio (F) di elettroni attraversante detto campione (3), detto dispositivo rivelatore comprendendo un elemento (4) rivelatore per generare un segnale in funzione di detto fascio, detto dispositivo rivelatore essendo caratterizzato dal fatto che detto elemento rivelatore comprende una pluralità di generatori (8) discreti di segnale, ciascuno idoneo a generare un corrispondente segnale per discriminare gli elettroni che attraversano il campione (3) in base all’angolo di uscita da detto campione.
9. 9. Dispositivo secondo la rivendicazione 8, caratterizzato dal fatto che ciascun generatore (8) di segnale è definito da una giunzione elettronica discreta.
10. 10. Dispositivo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 8 o 9, caratterizzato dal fatto che detti generatori (8) di segnali sono arrangiati in una matrice (9).
11. 11. Dispositivo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 8 a 10, caratterizzato dal fatto di comprendere dei mezzi (6) elettronici di pilotaggio in comunicazione con ciascuno di detti generatori di segnale per selezionare opportunamente detti generatori (8) di segnale e definire almeno una zona (11) di collezione di detti elettroni attraversanti il campione (3).
12. 12. Elemento rivelatore utilizzabile in un microscopio elettronico per la scansione di un campione (3) mediante un fascio (F) elettronico attraversante detto campione (3), detto elemento rivelatore generando un segnale (S1,...,S17) funzione di detto fascio (F) ed essendo caratterizzato dal fatto di comprendere una pluralità di porzioni (10, 20, 30, 40, 50) ciascuna idonea a generare un corrispondente segnale (S1,...,S17) in funzione, in particolare, di detto fascio (F).
13. 13. Elemento rivelatore secondo la rivendicazione 12, caratterizzato dal fatto che ciascuna porzione (10, 20, 30, 40, 50) è definita da una giunzione elettronica isolata.
14. 14. Elemento rivelatore secondo la rivendicazione 12 o 13, caratterizzato dal fatto che dette porzioni (10, 20, 30, 40, 50) comprendono una porzione (50) centrale sostanzialmente circolare ed una pluralità di porzioni (10, 20, 30, 40) definite come corone circolari concentriche con detta porzione (50) centrale.
15. 15. Elemento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 12 a 14, caratterizzato dal fatto che dette porzioni (10, 20, 30, 40, 50) comprendono una pluralità di porzioni (10, 20, 30, 40) definite come corone circolari concentriche, dette corone (10, 20, 30, 40) essendo suddivise in settori, detti settori generando ciascuno un corrispondente segnale (S1,...,S17).
16. 16. Elemento rivelatore utilizzabile in un microscopio elettronico per la scansione di un campione (3) mediante un fascio (F) elettronico attraversante detto campione (3), detto elemento rivelatore generando un segnale (S1,...,S17) funzione di detto fascio (F) ed essendo caratterizzato dal fatto di comprendere una pluralità di generatori (8) discreti di segnale, ciascuno idoneo a generare un corrispondente segnale per discriminare gli elettroni che attraversano il campione in base all’angolo di uscita da detto campione.
17. 17. Dispositivo secondo la rivendicazione 16, caratterizzato dal fatto che ciascun generatore (8) di segnale è definito da una giunzione elettronica discreta.
18. 18. Dispositivo secondo una qualsiasi delie rivendicazioni 16 o 17, caratterizzato dal fatto che detti generatori (8) di segnali sono arrangiati in una matrice (9).
19. 19. Dispositivo rivelatore secondo le rivendicazioni da 1 a 11 , elemento rivelatore secondo le rivendicazioni da 12 a 18 e secondo quanto descritto ed illustrato con riferimento alle figure degli uniti disegni e per gli accennati scopi.